Neue Simulationsmethode beschleunigt Auswertung von Röntgenstreuexperimenten

Forschende am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben ein neues Verfahren entwickelt, das aufwändige Computersimulationen zur Analyse von Materie unter extremen Bedingungen beschleunigt. Dies verbessert insbesondere die Auswertung von Experimenten an Großforschungsanlagen wie dem European XFEL. Es verspricht erhebliche Fortschritte in der Fusionsforschung sowie der Laborastrophysik. Solche extremen Zustände mit enormen Drücken und Temperaturen existieren in Sternen, im Inneren von Gasriesen oder im Labor bei Experimenten zur Laserfusion. Um diese Prozesse genau zu untersuchen, nutzen Forschende die Röntgenstreuung. Dabei durchdringt ein intensiver Röntgenstrahl die Probe, um aus dem gestreuten Signal Rückschlüsse auf Eigenschaften wie Dichte oder Temperatur zu ziehen.

Da die reinen Messdaten für eine eindeutige Bestimmung oft nicht ausreichen, liefern Computersimulationen die notwendigen theoretischen Modelle zur Interpretation. „Wir simulieren das System bei verschiedenen Parametern und schauen, bei welcher Kombination die Messdaten mit unseren Simulationen übereinstimmen“, erklärt Physiker Dr. Tobias Dornheim.

Dies ist beispielsweise für die Laserfusion essenziell, bei der Wasserstoffkügelchen durch Laserpulse so stark komprimiert und erhitzt werden, dass die Atomkerne verschmelzen. Um diese Technologie künftig in Kraftwerken als klimafreundliche, nahezu unerschöpfliche Energiequelle zu nutzen, muss die Fachwelt die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse im Detail begreifen. Dafür ist das exakte Verständnis der real vorliegenden Temperaturen und Drücke in der Probe entscheidend.

Simulationen als Schlüssel

Für die Interpretation solcher Messdaten wurden in der Vergangenheit oft einfache Modelle genutzt, die auf ungenauen Näherungen basieren, während die hochpräzise zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie einen enormen Rechenaufwand erfordert. Das Problem liegt darin, dass bei hohen Temperaturen extrem viele quantenmechanische Zustände berücksichtigt werden müssen. Dabei können gleichzeitig numerische Artefakte das Ergebnis verfälschen. Da Forschende für die Interpretation der Experimente zahlreiche Temperatur- und Dichtekombinationen in einem sogenannten Parameter-Scan durchrechnen müssen, wird massiv Rechenzeit auf Supercomputern benötigt. „Und die ist schlicht und einfach nicht unbegrenzt vorhanden“, sagt Dornheim.

Hier setzt die neue Methode an. Die Forschenden identifizieren systematisch, welche Teile des berechneten Signals physikalisch relevant sind und welche lediglich numerisches Rauschen darstellen, statt die Simulationen immer weiter zu verfeinern. Kern des Ansatzes ist eine mathematische Transformation in die sogenannte imaginäre Zeit. Das ist ein Konzept aus der Quantenmechanik, das eng mit der Systemtemperatur verknüpft und auch experimentell untersuchbar ist. „Darauf aufbauend kombinieren wir einen zuverlässigen Konvergenztest mit einem Filterverfahren, das künstliche Schwankungen entfernt, ohne die physikalische Information zu verfälschen“, erläutert Dr. Zhandos Moldabekov. Der große Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die physikalische Struktur des Signals im Gegensatz zu einer einfachen Glättung vollständig erhalten bleibt und wichtige Details nicht verwischt werden.

Bis zu 50-mal schneller

In der Praxis führt das neue Verfahren zu einer massiven Beschleunigung. „Bei unseren Tests liefen die Simulationen um einen Faktor 50 schneller“, beschreibt Moldabekov. Für die Zukunft bedeutet dies, dass in derselben Rechenzeit umfangreiche Parameterstudien realisiert und experimentelle Daten zuverlässig ausgewertet werden können, statt auf kostspieligen Supercomputern nur wenige Simulationen durchzuführen. Zudem verbessert sich die Qualität der Ergebnisse, da die Methode systematische Verzerrungen reduziert und gleichzeitig feine Strukturen im Spektrum erhält, die wichtige physikalische Prozesse anzeigen.

Ein zentrales Einsatzgebiet sind Experimente am European XFEL, insbesondere im vom HZDR koordinierten Nutzer-Konsortium HIBEF, wo Materialien unter den extremen Bedingungen der Laserfusion untersucht werden. „Wenn wir ein Fusionskraftwerk haben wollen, müssen wir verstehen, was in solchen extremen Materiezuständen wirklich passiert“, betont Dornheim. „Unsere neue Methode ermöglicht es nun, die Datensätze aus solchen Experimenten umfassend und präzise zu analysieren.“ Darüber hinaus eröffnet der Ansatz neue Perspektiven für die Laborastrophysik, in der Bedingungen wie im aufgeheizten und extrem komprimierten Inneren von Planeten nachgestellt werden. Auch andere Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit oder die Strahlungsaufnahme lassen sich damit nun schneller und genauer berechnen. „Unser Verfahren dürfte sich zu einem Standardwerkzeug für die Interpretation moderner Röntgenexperimente entwickeln“, hofft Moldabekov. „Damit könnte es künftig eine zentrale Rolle bei der Erforschung extremer Materiezustände spielen.“

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (05/2026)